电力机车电机／主变匝间耐压绝缘检测装置研究

徐雨笛

（华东交通大学 大学本科，江西 南昌 330000）

0 引言

电力机车的牵引电机、主变压器（简称主变）以及高压互感器电抗器，均是低内阻大功率的有感元件，在运行中由于温升、机械负荷、电磁场及周围媒介的作用，电气性能会出现劣化。在检修过程中不论是大修，还是小修，绕组绝缘检测试验是修制质量体系可靠运行的关键，对于电机的解体检查或小修电机，必须通过匝间绝缘耐压试验，配合其他相关试验数据确定其是否进一步处理，避免出现在线烧毁的事故发生。对于大修电机，匝间绝缘耐压试验，可检测出绕线、嵌线、接线、浸漆、装配过程中的绕组漆膜损伤现象，使修制质量得到有效保障，故匝间绝缘耐压测试是一个重要试验手段，试验结果分析也是正确判断故障的关键技术。因此，基于“绕组冲击法”，研制出电力机车电机／主变匝间耐压绝缘检测装置，通过试验数据指导检修人员采取准确的修制方法。

1 装置的设计

电力机车电机／主变匝间耐压绝缘检测装置采取便携式结构，主要工作原理为绕组冲击法。绕组冲击法是利用“形成脉冲”的瞬时大电流的高变化率,在被测设备绕组匝间产生足够高的检测电压。检测显示信号直接取自绕组匝间。它在准确、可靠、实用及经济性上都较以往的“片间压降”、“空载发电机电压”、“中频发电机组试验”等方法,有明显的优越性。装置工作时使用内置DC 12V锂电池组供电，电源组经变频通过调节脉冲发生器信号的占空比，选择性的向冲击控制器供电，控制器输出大于500Vpp峰值的低频脉冲信号，向试验电机的绕组加入冲击电压，装置通过电机绕组瞬时大电流高变化率的检测，来达到被测电机或主变绕组的绝缘状态，工作原理如图1所示。

图1 耐压绝缘检测装置工作原理图

2 电路组成

电力机车电机／主变匝间耐压绝缘检测装置由：DC 12.6V 充电接口电路、电池组充电保护控制电路、12V 锂电池组、隔离电源组电路、逆变控制器及高压显示电路、冲击电压加载频率调节控制电路、检测爪信号取样控制器、信号放大整形仪表显示电路和故障检测报警电路组成。

2.1 DC12.6V充电接口电路

电路由锂电池组BT、继电器K1、二极管D13，D14，D15组成，主要工作是电池组在充电过程中，确保主板处于关机状态，同时电量表处于显示状态。如图2所示。

图2 DC 12.6V充电接口电路

2.2 电池组充电保护控制电路

电路由集成芯片S-8209A、场效应管、三极管、阻容等外围元件组成。主要是在-40℃至+85℃的环境温度范围内，时刻监视电芯电压和充放回路电流，及时控制电流回路的通断，防止电池由于高温环境而导致电池损坏。如图3所示。

图3 LGP-10kV充电保护控制电路

2.3 12V锂电池组

装置内置6只型号为26650金钢锂电池，实行两并三串，额定电压11.1V，放电电流可达7.2A（实测），性能的一致性好。

2.4 隔离电源组电路

电路由电源模块T1、T2、T3 及阻容等外围元件组成。主要是将12V锂电池组的电源变换成各独立所需的电压值，向不同的电路供电，以防各电路工作时的相互干扰。如图4所示。

图4 隔离电源组电路

2.5 逆变控制器及高压显示电路

电路由电压驱动型脉宽调制控制模块外围阻容元件组成，主要工作是通过调节脉冲发生器信号的占空比，使高频变压器输出200V～600V 高压。如图5所示。

图5 逆变控制器及高压显示电路

2.6 冲击电压加载频率调节控制电路

电路由单时基制控制模块LM555J、光电耦合器U4、继电器及外围阻容元件组成。主要工作是通过调节冲击电压的频率，控制被测电机绕组瞬时大电流高变化率信号的采样时间。如图6所示。

图6 冲击电压加载频率调节控制电路

2.7 检测爪信号取样控制器

电路由探针、自复式检测按钮、航空插头组成。主要工作是通过检测爪探针将被测电机或主变绕组瞬时大电流高变化率信号经航空插头供信号放大整形仪表显示电路和故障检测报警电路检测。如图7所示。

图7 检测爪信号取样控制器连接图

2.8 信号放大整形仪表显示电路

电路由高精密运算放大器模块OP07 及外围阻容元件组成。主要工作是将被测电机或主变绕组瞬时大电流高变化率的信号，通过光电耦合，运算放大后由仪表显示。如图8所示。

图8 信号放大整形仪表显示电路

2.9 故障检测报警电路

电路由高精密运算放大器模块OP07 及外围阻容元件组成。主要工作是将被测电机或主变绕组瞬时大电流高变化率的信号，通过光电耦合，运算放大后监控是否正常及报警。如图9所示。

3 装置的测试原理及实验

匝间耐压绝缘检测装置需要在不损坏被测电机／主变的条件下测试其电气性能，首要条件是能在短暂的瞬间判别绕组的品质。测量时将与标准线圈测量时同样的脉冲通过电容器放电施加于被测绕组，由于绕组电感量和Q 值的存在，构成一个RLC 并联谐振回路，将产生一个对应于该放电脉冲的电压衰减波形，比较该衰减波形的某些特征，可以检测线圈匝间和层间短路及圈数和磁性材料的差异，通过施加一个高电压脉冲，根据出现的电晕或层间放电来判断绝缘是否良好。如图10所示。

图10 典型的线圈自激衰减振荡波形

3.1 冲击电压的设定

根据国标GB/T22716-2008《直流电机电枢绕组匝间绝缘试验规范》中第5.4 节试验限值规定［1］：对于额定电压660V以下的一般用途电机，片间冲击电压峰值应不低于350Vpp。对于起重，冶金等特殊电机及额定电压为660V以上的电机，片间冲击电压峰值应不低于500Vpp，冲击次数不少于5次。

按国标GB/T22716-2008规范，为适应机车的牵引电机和励磁发电机等辅机绕组的匝间绝缘检测，把冲击电压设定为200V～600V可调的范围。

3.2 采样间隔时间dt的选择

采样间隔时间需要根据图6 的电路进行计算，图6 是一个冲击电压加载频率调节控制电路，频率可通过公式F=1.443/（R3+2*W3）*C3 进行调节，范围为1.4Hz～144.3Hz，本次测试将其调整为3Hz，即间隔时间dt=1/F≈0.33秒。

3.3 脉冲冲击能量的设定

脉冲冲击能量=VxIxdt=500*0.39*0.33≈64.35(焦耳)，式中：Vx为加载电压；Ix为加载电流；dt为加载间隔时间。

3.4 实验结果

实测机车牵引电机波形如图11，符合图10 波形。

图11 SS7机车牵引电机串励绕组匝间耐压绝缘检测波形

4 结论

检测显示信号直接取自绕组匝间。它在准确、可靠、实用及经济性上都较以往的“片间压降”、“空载发电机电压”、“中频发电机组试验”等方法,有明显的优越性。电力机车电机／主变匝间耐压绝缘检测装置是便携式结构，方便线上，线下使用，符合国家和行业标准，适应机车主回路和辅回路上的感性元件的检测，装置采用“逆变”技术，无级调节获取高压，检测信号通过“光电耦合”使高、低压分离，确保装置的安全。电力机车电机／主变匝间耐压绝缘检测装置操作简单，技术先进，适合于铁路机车车辆，大型厂矿，供电系统的感性元件检测，具有广泛的推广应用前景。